Cette thèse a pour but de présenter la méthode thermique et ses applications pour les reconnaissances hydrogéologiques des glissements de terrains. Elle comprend deux parties. La première partie est consacrée aux généralités sur la méthode thermique et comprend trois chapitres. Le chapitre l concerne l'étude de la température du sol; nous avons étudié les différentes sources de l'énergie parvenant aux couches superficielles : les ondes thermiques, la propagation de la chaleur dans le sol, les variations journalières de température, les variations annuelles, etc. Enfin, nous avons donné des renseignements sur les dif- -férents facteurs ayant une influence sur la température des couches superficielles. Dans le chapitre II, après une brève étude sur le rôle de l ' eau dans les glissements de terrain, nous avons étudié l'existence des chenaux sous les zones glissées, puis nous avons étudié l'application de la méthode des traceurs pour connaître ces chenaux. Enfin, nous avons étudié la méthode thermique, son application sur le terrain, les périodes favorables au travail, les corrections nécessaires sur les mesures et la présentation des résultats. Le chapitre I I I est consacré à l'étude des champs thermiques. Après avoir donné les généralités sur le champ thermique, nous avons étudié la distribution de la température autour d ' un chenal de forme cylindrique et d'un chenal en forme de plaque et nous avons indiqué des méthodes d' interprétation quantitative. Dans la deuxième partie, nous avons donné 6 exemples de l 'application de la méthode thermique. Dans ces exemples cette méthode est appliquée conjointement avec les méthodes de résistivité et sismique. Ces exemples montrent donc l'application des trois méthodes géophysiques pour la reconnaissance des mouvements de terrains.

The soil temperature is an essential parameter for the energy balance of the earth. Many methods have been developed to determine summer surface temperature, but the determination in the presence of snow is an ill-conditioned problem since it requires the differentiation of several temperatures (surface of snow, temperature gradient within the snowpack and temperature at the snow/soil interface). Our project was motivated by the need to improve the estimation of soil temperature, within the first centimeters of soil, under the snowpack.The passive microwave remote sensing could provide this information. We showed the potential of the passive microwave brightness temperature inversion at 10 GHz (derived from AMSR-E, version V5) for the estimation of the soil temperature by using a physical multilayer snow model (SNTHERM) coupled with a snow microwave emission model (HUT).The snow model is driven with measurements from meteorological stations (air temperature, precipitation, air relative humidity, wind speed) and data generated by the NARR meteorological reanalysis.The coupled model is validated with in-situ measurements and the retrieved soil temperatures are compared to those derived from the snow model and NARR.The overall root mean square error in the soil temperature retrieval is 3.29 K, which is lower than the error derived from models without the use of remote sensing. This validation must consider the fact that we are comparing temperatures from a point station to that corresponding to an area of 25 x 25 km on the satellite scale. We also show the possibility of mapping the soil temperature. This original procedure constitutes a very promising tool to characterize the soil under snow (frozen or not), as well as its evolution in locations where measurements are unavailable

Ce travail de thèse propose une méthodologie d'instrumentation reposant sur plusieurs outils hydrologiques, géophysiques et géochimiques afin de quantifier l'apport nival dans les débits du Lignon. Cette instrumentation consiste en un suivi des échanges aux différents compartiments/interfaces hydrologiques que forment l'atmosphère, la neige, le sol et les cours d'eau au cours des saisons. La neige, et surtout l'équivalent en eau liquide qu'elle représente, est fondamentale pour la compréhension du fonctionnement des sources du Lignon, situées à l'aval direct d'une congère de grand volume. Ce volume d'eau est stocké durant la saison froide pour être restitué lors de la fonte printanière. Cette restitution est loin d'être homogène dans le Haut Lignon, en raison de la forte variabilité spatio-temporelle des paramètres qui la pilotent.L'infiltration de l'eau alors produite est une étape clef dans le comportement hydrologique du Lignon au printemps. La structure du sol à proximité des sources explique également la forte dépendance des sources du Lignon par rapport aux précipitations neigeuses. Cette dépendance est particulièrement visible lors de la fonte de la neige, qui modifie à très court terme les débits aux sources. Cette relation neige-pluie-débit met en évidence une alimentation superficielle pluvio-neigeuse prépondérante par rapport aux débits issus d'eau plus profonde, mais variable au cours de l'année.La méthode d'instrumentation employée, adaptée à l'hydrologie locale employée, permet de corroborer les résultats obtenus avec une précision appréciable, tout en ouvrant de nouvelles perspectives d'application à d'autres bassins versants d'altitude.

La respiration du sol (Rs) en milieu forestier est influencée par les conditions hydroclimatiques du sol ainsi que par la composition en espèces et la qualité de la litière. La hausse des températures et les changements dans les patrons de précipitation, attendus en contexte de changements climatiques, ont donc un fort potentiel de modifier Rs et ainsi, la concentration de CO2 atmosphérique. En ce sens, ce projet de recherche visait tout d’abord à étudier l’effet d’un réchauffement et d’un assèchement artificiels des sols sur Rs, puis à évaluer si la réponse des sols au chauffage allait varier selon le type de couvert forestier. Nous avons échantillonné le flux gazeux des sols sur deux ans dans trois peuplements d'une forêt tempérée décidue à sa limite nordique. Les résultats ont démontré une faible accentuation de Rs en réponse au chauffage, mais seulement jusqu’à un seuil de température du sol d’environ 15°C à partir duquel l’effet positif du chauffage s’estompe, voire s’inverse. Cependant, cette tendance n’était pas systématique puisque les trois peuplements ont démontré une sensibilité différente au chauffage, l’érablière à hêtre étant beaucoup plus sensible que la forêt mixte et l’érablière à bouleau. Ce qui était toutefois commun aux trois peuplements, c’est l’affaiblissement de l’influence de la température sur Rs passé le seuil de 15°C. Outre la température du sol, l’intégration d’autres variables, comme la teneur en eau, l’activité ionique en N, P et Ca de la solution de sol et la présence de conifères au modèle cherchant à expliquer la variabilité de Rs, n’a pas augmenté la puissance explicative du modèle, et ce pour aucun des traitements ou des peuplements. Les résultats de cette étude suggèrent néanmoins un élément intéressant, soit le plafonnement potentiel de Rs malgré la hausse des températures. Ceci apporte un questionnement quant à la magnitude de la rétroaction positive entre le cycle du carbone terrestre et le système climatique. / Forest soil respiration (Rs) is driven by soil hydroclimatic conditions as well as species composition and litter quality. Rising temperatures and changes in precipitation patterns, expected in the context of climate change, therefore have a strong potential to modify Rs and thus the concentration of atmospheric CO2. This research aimed to study the effect of artificial heating and drying of soils on Rs, and to assess whether the response of soils to heating would vary according to the type of forest cover. We sampled soil gas flux over two years in three stands of a temperate deciduous forest at its northern edge. The results demonstrated a weak accentuation of Rs in response to heating, but only up to a soil temperature threshold of about 15°C, where the positive heating effect decreases or is even reversed. However, this trend was not systematic since the three stands demonstrated a different sensitivity to heating, the maple-beech forest being much more sensitive than the mixed forest and the maple-birch forest. Yet, what was common to the three stands was the decrease of the influence of temperature on Rs above the threshold of 15°C. In addition to soil temperature, the integration of other variables, such as water content, ionic activity in N, P and Ca of the soil solution and the presence of conifers in the model seeking to explain the variability of Rs, did not increase the explanatory power of the model for any of the treatments or stands. The results of this study highlight a potential capping of Rs despite the increase in temperatures. They bring questions regarding the magnitude of the positive feedback between the terrestrial carbon cycle and the climate system.

Ce travail de thèse propose une méthodologie d’instrumentation reposant sur plusieurs outils hydrologiques, géophysiques et géochimiques afin de quantifier l’apport nival dans les débits du Lignon. Cette instrumentation consiste en un suivi des échanges aux différents compartiments/interfaces hydrologiques que forment l’atmosphère, la neige, le sol et les cours d’eau au cours des saisons. La neige, et surtout l’équivalent en eau liquide qu’elle représente, est fondamentale pour la compréhension du fonctionnement des sources du Lignon, situées à l’aval direct d’une congère de grand volume. Ce volume d’eau est stocké durant la saison froide pour être restitué lors de la fonte printanière. Cette restitution est loin d’être homogène dans le Haut Lignon, en raison de la forte variabilité spatio-temporelle des paramètres qui la pilotent.L’infiltration de l’eau alors produite est une étape clef dans le comportement hydrologique du Lignon au printemps. La structure du sol à proximité des sources explique également la forte dépendance des sources du Lignon par rapport aux précipitations neigeuses. Cette dépendance est particulièrement visible lors de la fonte de la neige, qui modifie à très court terme les débits aux sources. Cette relation neige-pluie-débit met en évidence une alimentation superficielle pluvio-neigeuse prépondérante par rapport aux débits issus d’eau plus profonde, mais variable au cours de l’année.La méthode d’instrumentation employée, adaptée à l’hydrologie locale employée, permet de corroborer les résultats obtenus avec une précision appréciable, tout en ouvrant de nouvelles perspectives d’application à d’autres bassins versants d’altitude. / This work proposes a methodology for an instrumentation based on several hydrological, geophysical and geochemical tools, to quantify the contribution of snowmelting proportions in the Lignon. This instrumentation is a monitoring of the different compartments / hydrological interfaces made up by atmosphere, snow, soil and rivers throughout the seasons.Snow, and especially the snow water equivalent, is fundamental to a better hydrological understanding of the sources of the Lignon, located directly downstream of a large snowdrift. This amount of water is stored during the cold season, to be returned during the spring melting. This return is heterogeneous in the top of the Lignon, due to the high spatial and temporal variability of parameters leading the melting.The infiltration of water therefore produced is a key step in the hydrological behavior of the Lignon during the spring time, which can be potentially more affected by the freezing of the ground, which significantly increases surface runoff.Soil structure near sources also explains the strong dependence of the sources of the Lignon towards snowfalls and rains. This dependence is especially noticeable at the snow melting that changes with very short term the flows at the sources.This snow-rainfall-runoff relationship highlights a predominant rain-snow surface supply, in comparison with the deeper water flows, and variable during the year.This instrumentation method, adapted to the local scale hydrology, allows corroborating the results obtained with a good accuracy, while opening new opportunities for application to other altitude watersheds.

Dans un contexte de changement global, prédire l’évolution de la productivité de la végétation dans le sud-ouest (SO) Sibérien reste un défi du fait d’incertitudes fortes sur les processus régulant la disponibilité en eau et en nutriments. Nous avons mis en évidence des relations entre cycles biogéochimiques, climat et propriétés du sol sur six sites contrastés.La croissance radiale des tiges de peuplier est principalement sensible au bilan hydrique du sol en forêt de steppe, au sud du SO Sibérien, alors qu’elle est stimulée par de hautes températures estivales en sub-taïga, dans le nord de la région.Des mesures de terrain et des simulations du bilan hydrique du sol ont montré que la fonte des neiges est importante pour la recharge des réserves hydriques du sol au sud. Au nord, ces réserves sont souvent rechargées en automne. La fonte des neiges est alors associée à du drainage. De plus, au nord, une épaisse couverture de neige protège le sol du gel en hiver. La distribution des racines fines est plus profonde en forêt de steppe qu’en sub-taïga, impactée par le déficit hydrique et le gel.L’homogénéité du statut en phosphore (P) des sols dans le SO Sibérien montre qu’il n’est pas encore très impacté par la pédogénèse. Les stocks en P élevés, notammen tles formes disponibles pour les plantes, suggèrent que le P n’est pas et ne sera pas limitant dans le futur.La décomposition des litières aériennes et la libération de l’azote (N) sont plus rapides en sub-taïga qu’en forêt de steppe. Un fort drainage pourrait expliquer un transfert profond du N dans les sols en sub-taïga. Cependant ces sols semblent efficaces pour retenir le N, limitant les pertes pour le système sol–plante. / Predicting the evolution of vegetation productivity in SW Siberia in the contextof global change remains a challenge because of major uncertainties concerningthe biogeochemical cycling and the plant-availability of water and nutrients. Weprovided insights on their relation to climate and soil properties, investigating sixcontrasting sites.Aspen stem radial growth is mainly sensitive to soil water budget in the foreststeppezone established in the south of SW Siberia while it is enhanced by highsummer temperatures in the sub-taiga, in the north of the region.Field measurements and water budget simulations revealed that snow-melt isimportant re-filling soil water reserves in the south. In the north, these reservesare mostly re-filled in autumn and snow-melt is associated with drainage. A thicksnow-pack also prevents soil from freezing in winter in the sub-taiga. Water deficitand soil freezing largely impact the distribution of fine roots within the soil profilewhich is deeper in forest-steppe than in sub-taiga.The homogeneous soil phosphorus (P) status in the region investigated revealedthis nutrient has not been yet very impacted by contrasting soil processes. High Pstocks, and in particular plant-available forms, suggest P is unlikely to be limitingunder current and future conditions.By contrast, we found differences in nitrogen (N) status. Above-ground litterdecay and the release of N occurs faster in sub-taiga than in forest-steppe. Higherdrainage may explain deeper N transfer in sub-taiga soils. However, sub-taiga soilsalso seem to be efficient in retaining N, limiting losses from the soil–plant system.

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Réalisé en cotutellle avec Gaétan Bourgeois et avec la participation de Guy Boivin, d'Agriculture et Agroalimentaire Canada, du Centre de Recherche et Développement en Horticulture à Saint-Jean-sur-Richelieu, QC J3B 3E6, Canada / On dénombre divers modèles de simulation de la mouche du chou (Delia radicum L.), mais plusieurs comportent d’importantes lacunes au niveau des différences génotypiques de l’insecte et des paramètres utilisés. L’objectif principal de ce projet est de rassembler les informations manquantes afin de créer dans le futur un modèle bioclimatique permettant de simuler efficacement la dynamique des populations de ce ravageur. L’effet de la température et de l’humidité du sol a été mesuré sur les œufs et les larves de la mouche du chou. L’humidité n’influence la survie des œufs qu’en dessous de 25% [m/m]. L’exposition graduelle des œufs à des températures élevées au dessus de 33°C affecte également la survie. La survie des larves augmente avec la hausse des températures et de l’humidité. Nous croyons que la mouche du chou est bien adaptée aux conditions des sols organiques au Québec, et nous recommandons l’intégration de la température du sol pour les stades au sol plutôt que de l’air dans l’élaboration d’un nouveau modèle. La ponte a également été étudiée à partir de différents critères préétablis pour chacun des génotypes hâtifs et tardifs, à différentes températures. Excepté pour la pré-oviposition qui est plus longue chez les hâtifs, aucune différence n’a été observée entre les génotypes. La majorité des critères, excepté la durée d’un épisode de ponte et la mortalité des œufs, a réagit à la température. Les nouvelles informations serviront à l’élaboration ou le perfectionnement d’un modèle de simulation de la dynamique de la ponte de la mouche du chou. / Few simulation models for the cabbage maggot (Delia radicum L.) had been seen, but several include significant weaknesses for the insect genotypic differences and parameters used. The main objective of this project is to collect the missing information to create, in the future, a bioclimatic model that will efficiently simulate the dynamics of the populations of this pest. The effect of soil temperature and moisture had been measured on eggs and larvae of the cabbage maggot. Humidity affects egg survival below 25% [w/w]. Gradual exposure of eggs to high temperature above 33°C also affects survival. Under tested conditions, larvae survival increases with rising temperatures and humidities. We believe that the maggot is well adapted to muck soil in Quebec, and we recommend to incorporated soil temperature rather than air temperature for above-ground stages into the development of a new model. Egg-laying activity has also been studied from various pre-established criterions for each of the early- and late-emerging genotypes, at different temperatures. Except for the pre-oviposition which is longer for the early genotype, no differences were observed between genotypes. The majority of criterions, except for the duration of oviposition bouts and egg mortality, responded to temperature. The new information will be used for the preparation and development of a simulation model of the egg-laying dynamic of the cabbage maggot.

On dénombre divers modèles de simulation de la mouche du chou (Delia radicum L.), mais plusieurs comportent d’importantes lacunes au niveau des différences génotypiques de l’insecte et des paramètres utilisés. L’objectif principal de ce projet est de rassembler les informations manquantes afin de créer dans le futur un modèle bioclimatique permettant de simuler efficacement la dynamique des populations de ce ravageur. L’effet de la température et de l’humidité du sol a été mesuré sur les œufs et les larves de la mouche du chou. L’humidité n’influence la survie des œufs qu’en dessous de 25% [m/m]. L’exposition graduelle des œufs à des températures élevées au dessus de 33°C affecte également la survie. La survie des larves augmente avec la hausse des températures et de l’humidité. Nous croyons que la mouche du chou est bien adaptée aux conditions des sols organiques au Québec, et nous recommandons l’intégration de la température du sol pour les stades au sol plutôt que de l’air dans l’élaboration d’un nouveau modèle. La ponte a également été étudiée à partir de différents critères préétablis pour chacun des génotypes hâtifs et tardifs, à différentes températures. Excepté pour la pré-oviposition qui est plus longue chez les hâtifs, aucune différence n’a été observée entre les génotypes. La majorité des critères, excepté la durée d’un épisode de ponte et la mortalité des œufs, a réagit à la température. Les nouvelles informations serviront à l’élaboration ou le perfectionnement d’un modèle de simulation de la dynamique de la ponte de la mouche du chou. / Few simulation models for the cabbage maggot (Delia radicum L.) had been seen, but several include significant weaknesses for the insect genotypic differences and parameters used. The main objective of this project is to collect the missing information to create, in the future, a bioclimatic model that will efficiently simulate the dynamics of the populations of this pest. The effect of soil temperature and moisture had been measured on eggs and larvae of the cabbage maggot. Humidity affects egg survival below 25% [w/w]. Gradual exposure of eggs to high temperature above 33°C also affects survival. Under tested conditions, larvae survival increases with rising temperatures and humidities. We believe that the maggot is well adapted to muck soil in Quebec, and we recommend to incorporated soil temperature rather than air temperature for above-ground stages into the development of a new model. Egg-laying activity has also been studied from various pre-established criterions for each of the early- and late-emerging genotypes, at different temperatures. Except for the pre-oviposition which is longer for the early genotype, no differences were observed between genotypes. The majority of criterions, except for the duration of oviposition bouts and egg mortality, responded to temperature. The new information will be used for the preparation and development of a simulation model of the egg-laying dynamic of the cabbage maggot. / Réalisé en cotutellle avec Gaétan Bourgeois et avec la participation de Guy Boivin, d'Agriculture et Agroalimentaire Canada, du Centre de Recherche et Développement en Horticulture à Saint-Jean-sur-Richelieu, QC J3B 3E6, Canada

Le biome boréal, emmagasinant d’importantes quantités de carbone en son sol et recouvrant une majorité du territoire alaskien, fennoscandien et russe, contribue grandement au système climatique. Toutefois, les variabilités climatiques et les propriétés de l’écosystème, notamment en ce qui a trait à la présence ou l’absence de pergélisol, complexifient la quantification de la variabilité des bilans de carbone du biome boréal, au sein duquel se retrouvent des écosystèmes forestiers, lentiques et de zones humides. Ces bilans de carbone sont grandement influencés par le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, étant à leur tour dépendants de plusieurs variables environnementales telles que la température de l’air et du sol, le contenu du sol en eau, les stades de développement de la végétation, etc. Cette recherche vise à quantifier l’impact de ces variabilités environnementales sur la variabilité des moments où se produisent le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, en distinguant les forêts boréales avec et sans pergélisol. La saison de croissance photosynthétique est caractérisée à partir de la productivité primaire brute dérivée de mesures covariance des turbulences provenant de 40 sites-années d’observation à travers la forêt boréale nord-américaine où l’épinette noire est l’espèce d’arbre dominante. Les variables environnementales considérées étaient les températures de l’air et du sol, les stades de développement de la végétation, le couvert nival, le rayonnement photosynthétiquement actif et le contenu du sol en eau. Le cadre statistique choisi incluait le calcul des coefficients de corrélations de Pearson, l’analyse des points communs et la modélisation par équations structurelles. Les résultats de cette étude montrent que la variabilité du début de la saison de croissance dans les sites sans pergélisol est contrôlée directement par la variabilité annuelle des stades de développement de la végétation ainsi que par le moment où survient le dégel du sol. Ce résultat souligne ainsi l’importance de l’accès à l’eau liquide du sol afin que la végétation initie la photosynthèse. Aucune variable environnementale ne pouvait significativement expliquer le contrôle du début de la photosynthèse au sein des sites avec pergélisol. À l’automne, le contenu du sol en eau ainsi que le début du couvert nival influencent directement la variabilité de la fin de la saison de croissance photosynthétique. Il est alors montré que la disponibilité de l’eau peut mener à une cessation plus hâtive de la photosynthèse à l’automne. L’effet de l’apparition du couvert nival est quant à lui opposé dans les sites avec et sans pergélisol. Son retard dans les sites sans pergélisol témoigne d’une température de l’air suffisamment élevée pour que les précipitations tombent sous forme liquide, prolongeant ainsi les activités photosynthétiques. Son retard dans les sites avec pergélisol signifie plutôt des précipitations neigeuses moindres, retardant ainsi l’apparition d’une couche isolante pour le sol, qui aurait pu allonger la saison de croissance photosynthétique. Cette étude contribue à clarifier les processus contrôlant le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique et aidera à améliorer la compréhension des effets des changements climatiques sur la force du puits de carbone de la forêt boréale nord-américaine. / The boreal forest, storing large amounts of carbon in its soil and covering a majority of the Alaskan, Canadian, Fennoscandian and Russian territory, is an integral part of the climate system. However, climatic variability and ecosystem properties, particularly with regards to the presence or absence of permafrost, limits our understanding of the carbon balance variability in the boreal biome, which comprises forest, lake and wetland ecosystems. The boreal carbon sink-source strength is greatly influenced by phenological events, including the start and end of the photosynthetic growing season, which are themselves dependent on several environmental variables such as air and soil temperature, soil water content, vegetation development stages, etc. This research aims to provide new insights on the influence of environmental variability on the variability in the timing of the photosynthetic growing season, by broadly distinguishing between boreal forests with and without permafrost. The photosynthetic growing season is characterized using gross primary productivity derived from eddy covariance measurements of net ecosystem carbon dioxide exchange. Data from 40 black spruce- dominated site-years of observation across the North American boreal forest are used. The considered environmental predictors were air and soil temperatures, vegetation development stages, snow cover, photosynthetically active radiation and soil water content. The statistical framework included the calculation of Pearson correlation coefficients, commonality analyses and structural equation modeling. This study shows that the variability in the start of the growing season in permafrost-free sites is directly controlled by the variability in vegetation development stage as well as by the thawing of seasonally frozen ground. This result thus emphasizes the importance of access to liquid soil water for the vegetation to initiate photosynthesis. No environmental variable could significantly explain photosynthesis recovery in sites with permafrost. In fall, the soil water content as well as the start of snow cover directly influence the variability in the end of the photosynthetic growing season. These results suggest that the availability of water can limit photosynthesis in the fall. The effect of snow cover is opposite in sites with and without permafrost. A delay in the appearance of continuous snow cover in sites without permafrost indicates that the air temperature is high enough for precipitation to fall in liquid form and for photosynthesis to continue. In contrast, its delay in sites with permafrost indicates less snowfall, thus delaying the appearance of an insulating layer for the soil, which could have lengthened the photosynthetic growing season. This study sheds light on the controls of the annual variation of the timing of the photosynthetic growing season and will help understanding of the effects of climate change on the strength of the North American boreal forest carbon sink.